专利名称：非对称式的超大功率射频开关模块及其制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种城堡式表面贴装TTL/CMOS电平驱动的非对称式 的超大功率射频开关模块的制备方法，属于移动通信技术领域。
背景技术：
在TDD的系统中大功率射频收发控制开关是其中必不可少的核心模 块。在我国自主知识产权的3G通信标准(TD-SCDMA)的产业链建设初期， 基站用大功率射频收发控制开关一直是一个薄弱环节，国内外的同类产品在 功率容量及可靠性方面一直不能满足系统要求，当功率超过40W以上时， 开关会损坏。导致在我国TD-SCDMA—期试验网的建设时系统基站研制生 产厂商不得不考虑用高成本方案解决。而且，在这些方案中，开关驱动都是 独立于开关之外，在功放板上独立制作，不但成本高，占用面积也大，加大 了功放的体积，增加了功放的功耗，降低了效率，提高了功放的整体成本。 国内著名通信系统设备制造公司ZTE公司研制的TD-SCDMA通信系统中的 射频收发控制开关在长期可靠性试验中，该型号开关由于产品固有的特性， 不能满足长时间/极限条件下的大功率工作条件，在射频功率大于35W的条 件下，失效率很高，存在严重质量隐患。
发明内容
本发明提出的是一种适用于3G的TD-SCDMA和WIMAX等TDD系统 基站整机用的城堡式表面贴装TTL/CMOS电平驱动的非对称式超大功率射频开关模块，目的之一旨在满足TD-SCDMA及WIMAX系统基站功放超大 功率切换控制的长时间/极限条件下的大功率工作条件，在射频功率大于 35W的条件下，能安全可靠工作。目的之二旨在提高开关模块的集成度，降 低成本，优化性能。
本发明的技术解决方案非对称式的超大功率射频开关模块，其结构是 ANT-TX通道采用一个低串联电阻、低热阻的大功率PIN 二极管作为开关元 件，ANT-RX通道采用两个小电容、低串联电阻的中功率PIN二极管作为开 关元件。这样制作的开关电路在ANT-TX与ANT-RX两个通道间形成两个 不对称通道，分别满足两个通道对功率、隔离度、插入损耗等要求。两个通 道间的切换控制由集成硅驱动芯片实现。
非对称式的超大功率射频开关模块的制备方法，其特征是该方法包括如 下工艺步骤
在高导热的RO4350基板上用银浆粘接超高导热性能的AIN (氮化铝) 衬底、集成硅驱动芯片以及ANT-RX通道的两个PIN二极管芯片；在AIN 衬底上用银浆粘接ANT-TX通道的大功率PIN 二极管芯片；PIN 二极管芯片 与RO4350基板之间，硅芯片与RO4350之间通过键合金丝连接。
该方法的工艺步骤还包括
在RO4350基板上对应AIN衬底的部分打密集通孔矩阵，在通孔矩阵上 用银浆粘接AIN衬底，AIN衬底TX端与电路板之间连接通过金丝(25MIL) 键合连接，通过AIN衬底到密集通孔矩阵散热，可以提高电路板的散热能力， 减小热阻；
在AIN衬底上用银浆粘接ANT-TX通道的大功率PIN 二极管芯片。芯使用芯片而不是封 装好的二极管可以减少二极管的热阻，利于散热。而且也避免了封装带来的 附加性能影响。
在RO4350基板上用银浆粘接ANT-RX通道上的两个PIN 二极管芯 片。芯片阳极与电路板之间连接通过金丝(25MIL)键合连接。
在R04350基板上用银桨粘接集成硅驱动芯片。芯片与电路板对应位 置之间连接通过金丝(25MIL)键合连接。 陶瓷帽用环氧树脂胶粘接在电路板之上。
本发明的优点1)可在10.4x8.4mm小尺寸内实现开关及驱动一体化， 并在射频连续波60W的大功率条件下能安全可靠工作；
2) 满足了 TD-SCDMA及WIMAX系统基站功放超大功率切换控制的 要求；
3) 考虑到TD-SCDMA及WIMAX的功放要求，在开关两路针对通过 功率和隔离度不同要求，做了不对称处理，这种不对称设计不仅降低了成本， 而且在对应的通道优化了不同的性能，提高了开关的可靠性；提高开关模块 的集成度，降低成本，优化性能。硅集成芯片替代外置三极管组合驱动电路；
4) 由于采用多芯片组装(MCM)技术，无论二极管芯片还是硅集成驱 动芯片，均采用裸芯片直接粘接加工方法，从而降低了芯片与基板之间的热 阻，并避免了封装带来的附加效应对性能的影响，优化了模块电性能，使模 块的可靠性，产品电性能均得到提升，还降低了模块的使用成本。
5) 采用PIN二极管芯片直接设计制作，采用多芯片组装工艺(MCM)， 芯片通过金丝键合方式连接到电路上，消除了封装二极管封装电容及引线电感给开关设计带来的附加影响，进一步优化了开关的电性能，而且芯片直接 粘接在电路板上，大大减小了芯片与电路板间的热阻，相比于封装二极管更 有利于热量的传导，降低了芯片在同样功耗下的结温，提高了开关模块长期 可靠性。
6)采用高导热AIN陶瓷基板作二极管芯片的衬板，降低了 PIN 二极管 芯片与应用电路间的热阻，采用这种设计，可以制作更大功率容量，更可靠 的功率开关。
7)采用串联模式的开关电路，进一步减小模块尺寸。模块采用内部匹 配电路设计，提高了集成度和适用性。
本发明是针对TD-SCDMA及WIMAX等3G通信标准的整机系统而研发 的大功率开关模块。由于采用先进的多芯片组装技术(MCM)和多层陶瓷 共烧技术，产品具有更强的针对性，在3G通信频段上，具有更小损耗、更 高隔离度、更大功率容量，更高的可靠性。
附图1是本发明的电路结构示意图，
附图2是本发明在TD-SCDMA基站中的应用之一的结构示意图， 附图3是本发明在TD-SCDMA基站中的应用之二的结构示意图， 附图4是非对称式的超大功率射频开关模块的PCB顶层版图， 附图5是非对称式的超大功率射频开关模块的芯片粘接图， 附图6是非对称式的超大功率射频开关模块的外形结构尺寸图， 附图7是集成硅驱动芯片结构及接口示意图， 具体实施方对照附图1，其结构是电源1是+5V通过75欧姆限流电阻降压，在通 过两个电感分别加到PIN1、 PIN2和PIN3三个二极管芯片的阳极。电源2 是+5V，电源3是+28V，这两路电源是集成硅驱动芯片的电源。控制信号的 高低电平分别控制VI和V2的输出电压。输入高电平时，驱动芯片输出分 别是V1=+28V， V2-0V (GND)，输入低电平时，集成硅驱动芯片输出分 别是V1=+0V (GND)， V2=+28V。
非对称式的超大功率射频开关模块的工作原理如下当控制输入低电平 时，V1=+0V (GND)， V2=+28V, PIN1 二极管芯片正偏，ANT-TX通道导 通，PIN2和PIN3两个二极管芯片反偏，ANT-RX通道截止。当控制输入高 电平时，V1=+28V， V2=0V (GND)， PIN1 二极管芯片反偏，ANT-TX通道 截止，PIN2和PIN3两个二极管芯片正偏，ANT-RX通道导通。
对照附图2，基带信号经过编码后，通过功放放大，再经过环形器后通 过天线发射出去。接收信号由天线输入经过环形器进入开关，再由低噪放放 大后进入接收处理单元进行解码等处理。开关模块在这种应用方式中的工作 模式是发射状态时，开关ANT-TX通道导通，ANT-RX通道截止隔离。如 果天线端失配，功率反射回来，经过环形器进入开关，由ANT-TX通道注入 负载端，这样可以很好的保护LNA及后续的接收通道部分。接收状态时， ANT-RX通道导通，接收信号由天线输入经过环形器进入开关，再由低噪放 放大后进入接收处理单元进行解码等处理。
对照附图3,基带信号经过编码后，通过功放放大，再经过开关后通过 天线发射出去，此时开关工作状态是ANT-TX导通，ANT-RX通道截止。接 收信号由天线输入经过开关，再由低噪放放大后进入接收处理单元进行解石马等处理，此时开关工作状态是ANT-TX截止，ANT-RX通道导通。
对照附图4， ANT-TX与ANT-RX通道的主微带线呈L形状，这样的布 局使得ANT-TX通道微带线长度短，从而插入损耗小；ANT-RX通道微带线 长度较长，可以在接近1/4波长线的长度内安装两个PIN二极管芯片，从而 提高TX-RX间的隔离度，提高开关对接收通道的模块、器件的保护能力。 这种布局方式可以在很小的尺寸内同时满足ANT-TX通道的低损耗和 ANT-RX通道的高隔离度要求。AIN衬底部分在RO4350基板上设计了密集 通孔矩阵，有利于散热，减小热阻。这种制作方法可以在普通介质板上做到 高导热基板的散热能力，从而可以在普通介质板上制作对散热要求较高的模 块如本发明的开关模块，进而降低产品成本，降低加工难度。驱动芯片焊盘 中有两个接地孔，有接地和散热两个作用。其余电感、电容按照图l原理图 连接，布局方式参照图4。
对照附图5，大功率芯片用银浆粘接在AIN衬底上，两个中功率芯片用 银浆粘接在RO4350基板电路板上。二极管芯片阳极与电路板之间，AIN衬 底上微带线与电路板微带线之间键合金丝连接。
对照附图6，开关模块采用陶瓷封帽。陶瓷封帽可以有效保护模块的芯片 以及键合金丝，避免外物触碰而损坏。陶瓷帽的外形尺寸比电路板尺寸小， 这样，电路板的外围接口的半孔图形就暴露出来了，在开关模块使用时二次 回流焊过程中，温度可以顺利传导，可以有效避免二次回流焊中产生虚焊。 陶瓷帽安装采用环氧树脂粘接，这样不但可以减小陶瓷帽的加工难度，而且 降低了陶瓷的成本。采用环氧树脂粘接陶瓷帽还可以避免二次回流焊时瓷帽 的漂移。实施例
开关模块的电原理图如图1所示。基板选用0.5mm厚的RO4350,按 照图4的电路示意图进行PCB板电路图设计，输入输出阻抗均按照50欧姆 设计，四段主微带线的宽度为lmm。器件的布局和连接按照图4所示，PCB 板尺寸10.4x8.4mm，侧边半孔尺寸为0.6mm，板中孔^^为0.2mm,板中孔 均为接地孔。AIN衬板尺寸为2x2mm，驱动芯片焊盘尺寸为1.2xl.2mm。 器件选择AIN衬底上PIN二极管芯片主要从以下方面考虑反向耐压大于 200V，结电容小于0.5P，串联电阻小于0.5欧姆，热阻小于20度/瓦。按照 这些要求选择PIN 二极管芯片。另外两个PIN 二极管芯片主要从反向耐压大 于150V，结电容小于0.05P，串联电阻小于0.5欧姆。按照这些要求选择PIN 二极管芯片。电感选用贴片绕线电感，电容用普通贴片电容即可。
集成硅驱动芯片尺寸为1.2x1.2mm，有7个对外接口如附图7所示。硅 集成驱动芯片的接口连接参照附图1所示(VI对应OP， V2对应ON，控制 对应IN，电源2对应+5V，电源3对应+28V)。硅集成驱动芯片的作用是根 据控制信号输入的高低电平在VI和V2处输出相应电压，给二极管芯片提 供偏置，从而达到开关切换的目的。本发明的开关模块是电源驱动模式，因 此，集成硅驱动芯片还有吸收二极管芯片正偏导通的电流的作用。驱动芯片 的主要指标有驱动芯片输出电压+28/GND。驱动芯片电流驱动能力-80mA。驱动芯片的开关翻转速度小于100ns。
集成硅驱动芯片的粘接及引线键合芯片粘接用高导热细密银浆(如 MD140)粘接，并在高温下固化；微带线段之间以及PIN二极管与微带线之 间均通过键合金丝连接。封帽陶瓷帽通过环氧树脂粘接。
权利要求
1、非对称式的超大功率射频开关模块，其特征是ANT-TX通道采用一个低串联电阻、低热阻的大功率PIN二极管作为开关元件，ANT-RX通道采用两个小电容、低串联电阻的中功率PIN二极管作为开关元件，这样制作的开关电路在ANT-TX与ANT-RX两个通道间形成两个不对称通道，分别满足两个通道对功率、隔离度、插入损耗等要求，两个通道间的切换控制由集成硅驱动芯片实现。
2、根据权利要求1所述的非对称式的超大功率射频开关模块，其特征是 所述的ANT-TX通道采用一个《氐串联电阻小于0.5欧姆，热阻小于20度/瓦， PIN二极管芯片反向耐压大于200V，结电容小于0.5P;所述的ANT-RX通 道的两个PIN二极管芯片反向耐压大于150V，结电容小于0.05P，串联电阻 小于0.5欧姆。
3、 根据权利要求1所述的非对称式的超大功率射频开关模块，其特征 是所述的集成硅驱动芯片的粘接及引线键合芯片粘接用高导热细密银浆如 MD140粘接，并在高温150度下固化；微带线段之间以及PIN二极管与微 带线之间均通过键合金丝连接。
4、 非对称式的超大功率射频开关模块的制备方法，其特征是该方法包 括如下工艺步骤一、 在高导热的RO4350基板上用银浆粘接超高导热性能的AIN (氮化 铝)衬底、集成硅驱动芯片以及ANT-RX通道的两个PIN二极管芯片；二、 在AIN衬底上用银浆粘接ANT-TX通道的大功率PIN 二极管芯片；三、PIN二极管芯片与RO4350基板之间，集成硅驱动芯片与RO4350 基板之间通过键合金丝连接。
5、 根据权利要求4所述的非对称式的超大功率射频开关模块的制备方 法，其特征是所述的在RO4350基板上对应AIN衬底的部分打密集通孔矩阵， 在通孔矩阵上用银浆粘接AIN衬底，AIN衬底TX端与电路板之间通过金丝 25MIL键合连接，通过AIN衬底到密集通孔矩阵散热，可以提高电路板的 散热能力，减小热阻。
6、 根据权利要求4所述的非对称式的超大功率射频开关模块的制备方 法，其特征是所述的在AIN衬底上用银浆粘接ANT-TX通道的大功率PIN 二极管芯片，PIN二极管芯片阳极与电路板间通过金丝25MIL键合连接。
7、 根据权利要求4所述的非对称式的超大功率射频开关模块的制备方 法，其特征是所述的在R04350基板上用银浆粘接集成硅驱动芯片，集成硅 驱动芯片与电路板对应位置之间连接通过金丝(25MIL)键合连接。
8、 根据权利要求7所述的非对称式的超大功率射频开关模块的制备方 法，其特征是所述的电路板之上用环氧树脂胶粘接陶瓷帽。
9、根据权利要求4所述的非对称式的超大功率射频开关模块的制备方 法，其特征是所述的AIN衬底上PIN二极管芯片主要从以下方面考虑反 向耐压大于200V,结电容小于0.5P，串联电阻小于0.5欧姆，热阻小于20度/瓦；另外ANT-RX通道两个PIN 二极管芯片主要从反向耐压大于150V, 结电容小于0.05P，串联电阻小于0.5欧姆；电感选用贴片绕线电感，电容用普通贴片电容即可，集成硅驱动芯片的粘接及引线键合芯片粘接用高导热细密银浆，如MD140粘接，并在高温150度下固化；微带线段之间以及PIN 二极管与微带线之间均通过键合金丝连接。
全文摘要
本发明是非对称式的超大功率射频开关模块及其制备方法，其结构是在ANT-TX与ANT-RX两个通道间形成两个不对称通道，两个通道间的切换控制由集成硅驱动芯片实现。制备方法在高导热的RO4350基板上用银浆粘接超高导热性能的AIN衬底、集成硅驱动芯片以及ANT-RX通道的两个PIN二极管芯片；在AIN衬底上用银浆粘接ANT-TX通道的大功率PIN二极管芯片；PIN二极管芯片、集成硅驱动芯片与RO4350基板间通过键合金丝连接。优点满足TD-SCDMA及WIMAX系统基站功放超大功率切换控制的长时间/极限条件下的大功率工作条件，在射频功率大于35W条件下能安全可靠工作。集成度高，成本低，性能优。
文档编号H01P1/15GK101656335SQ200910183508
公开日2010年2月24日 申请日期2009年9月22日 优先权日2009年9月22日
发明者黄贞松 申请人:中国电子科技集团公司第五十五研究所